基于mos網(wǎng)絡(luò)的紅外圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)

基于mos網(wǎng)絡(luò)的紅外圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)

0紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)的研究最終系統(tǒng)從點(diǎn)源勘探發(fā)展到觀測(cè)焦平面勘探，所使用的紅外段從3.5m擴(kuò)大到8.15m。紅外制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)武器發(fā)展,對(duì)紅外制導(dǎo)和紅外成像制導(dǎo)武器的目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤的要求越來越高,在武器的設(shè)計(jì)和研制階段對(duì)紅外導(dǎo)引頭各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)是提高和保證武器性能的必要步驟。由于紅外制導(dǎo)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要地位,美英等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)積極開展了詳細(xì)深入的研究,在這些研究中,如何逼真地實(shí)時(shí)模擬目標(biāo)及背景的紅外輻射是仿真的關(guān)鍵。本文即是關(guān)于紅外成像制導(dǎo)仿真中圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)的研究。在20世紀(jì)80年代末期和90年代初期,國(guó)外就對(duì)紅外成像目標(biāo)模擬投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究,取得大量的研究成果,出現(xiàn)了多種形式的紅外成像目標(biāo)靶,如紅外CRT、激光掃描成像、液晶光閥投影成像、MOS電阻面陣紅外成像、投影儀等。其中基于MOS電阻面陣紅外成像裝置、激光掃描成像裝置已經(jīng)在成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)研制中得到很好的應(yīng)用。本文基于超大規(guī)模D/A控制板使得面陣控制簡(jiǎn)單,同時(shí)更容易向256×256像素面陣擴(kuò)展。1系統(tǒng)描述和主要技術(shù)1.1基于景光輻射的紅外成像導(dǎo)引頭圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)是用來模擬產(chǎn)生反映實(shí)際追蹤目標(biāo)過程中導(dǎo)引頭接收系統(tǒng)入瞳處場(chǎng)景(目標(biāo)及背景等)紅外輻射,用以考核紅外成像導(dǎo)引頭接收目標(biāo)信息、分辨識(shí)別目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)和抗干擾能力,它是針對(duì)紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)而專門研制的,是紅外成像制導(dǎo)仿真中最關(guān)鍵的子系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)生成目標(biāo)/干擾景象數(shù)據(jù),通過相應(yīng)接口系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)MOS電阻面陣,產(chǎn)生紅外熱圖像。1.2主要技術(shù)：200hz；圖像源：128.128莫斯電阻器；粒度：2568bit；亮度:程控調(diào)字節(jié);對(duì)比度:程控調(diào)節(jié);非均勻修正模式:離線測(cè)試,實(shí)時(shí)修正;景像生成方式:實(shí)時(shí)生成。2系統(tǒng)的組成和工作原則2.1系統(tǒng)組成和功能紅外圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)主要有:圖像生成及顯示計(jì)算機(jī)、硅橋MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、128×128MOS電阻面陣及電源、實(shí)時(shí)通訊反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)(反射內(nèi)存卡及光纖)、目標(biāo)及背景紅外圖像實(shí)時(shí)生成軟件和MOS電阻面陣控制軟件等6部分組成,如圖1所示。2.2和彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型系統(tǒng)根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)解算的導(dǎo)彈、目標(biāo)及干擾位置和姿態(tài)參數(shù),以及大氣傳輸參數(shù),按照目標(biāo)和背景模型,導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型和彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,由圖像生成計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理,實(shí)時(shí)生成紅外目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù),再與相應(yīng)的背景景像合成,生成目標(biāo)景像數(shù)據(jù),通過反射內(nèi)存將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)中,由嵌入式控制機(jī)根據(jù)景像數(shù)據(jù)生成電阻陣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和控制信號(hào),并經(jīng)過相應(yīng)的變換、放大和處理后按一定的掃描方式形成紅外熱景像圖形,進(jìn)而完成紅外目標(biāo)的動(dòng)態(tài)模擬。3軸轉(zhuǎn)臺(tái)及其他資源系統(tǒng)的工作原理,也注意到提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的背景需要建立的圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng),一方面要實(shí)時(shí)生成紅外圖像,并且要實(shí)時(shí)或事后顯示所計(jì)算的紅外圖像,這就決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高;另一方面MOS電阻面陣的驅(qū)動(dòng)電路要放于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的框架上面,距離地面仿真機(jī)有15m左右,于是就帶來了兩個(gè)主要問題:一是長(zhǎng)線數(shù)據(jù)傳輸,這就要涉及干擾、壓降等;另一個(gè)是面陣驅(qū)動(dòng)裝置的重量不能超過了五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載重量。3.1圖像數(shù)據(jù)的處理圖像生成及顯示計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)主要功能是生成128×128個(gè)像素的電壓值,圖像數(shù)據(jù)計(jì)算及傳輸以200Hz的頻率進(jìn)行,同時(shí)能夠在計(jì)算機(jī)上方便地完成參數(shù)設(shè)置和顯示(事后顯示方式)。1初始估計(jì)圖像生成根據(jù)幀頻200Hz的要求可以知道,獲取導(dǎo)彈及目標(biāo)參數(shù)、圖像生成、數(shù)據(jù)傳輸總時(shí)間(ms)為T圖像生成及傳輸=T圖像生成+T圖像傳輸＜1f幀頻=1200?Hz=5(1)Τ圖像生成及傳輸=Τ圖像生成+Τ圖像傳輸＜1f幀頻=1200?Ηz=5(1)由于采用的是光纖反射內(nèi)存?zhèn)鬏?圖像傳輸?shù)臅r(shí)間可以表示為T圖像傳輸=?????????????128×128×2?byte14.8?Mbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Mbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Mbyte/s=0.744?ms方式3(2)Τ圖像傳輸={128×128×2?byte14.8?Μbyte/s=2.214?ms方式1128×128×2?byte29.5?Μbyte/s=1.110?ms方式2128×128×2?byte44?Μbyte/s=0.744?ms方式3(2)不考慮操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性,可以初步估計(jì)圖像生成的時(shí)間為T圖像生成=?????5?2.214=2.786?ms方式15?1.110=3.890?ms方式25?0.744=4.256?ms方式3(3)Τ圖像生成={5-2.214=2.786?ms方式15-1.110=3.890?ms方式25-0.744=4.256?ms方式3(3)考慮到Windows2000操作系統(tǒng)工作的非實(shí)時(shí)性和反射內(nèi)存的讀寫操作的硬件間沖突等(設(shè)兩者造成的不定時(shí)間約為0.8ms),可以初步估計(jì)圖像生成的時(shí)間為T圖像生成＜?????2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)Τ圖像生成＜{2.0?ms方式13.1?ms方式23.4?ms方式3(4)于是可以知道,在設(shè)置反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)工作的方式為DMA(方式3)傳輸模式,圖像生成速度盡量小于3ms。2每幀數(shù)據(jù)容量以浮點(diǎn)數(shù)格式處理、保存和傳輸?shù)?即數(shù)據(jù)寬度為16bit;每幀數(shù)據(jù)容量為128×128×2byte=32kB;每秒數(shù)據(jù)容量為200Hz×32kB=6.25MB。32文字描述符卡由于需要高速的動(dòng)畫計(jì)算與顯示,所以擬選用專業(yè)圖形顯示卡。4計(jì)算機(jī)選擇計(jì)算機(jī)選擇選用專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)。5操作系統(tǒng)與仿真主機(jī)的操作系統(tǒng)一致,操作系統(tǒng)選為Windows2000Professional。3.2光纖反射內(nèi)存卡圖像生成計(jì)算機(jī)與MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)間采用了與仿真計(jì)算機(jī)相一致反射內(nèi)存通訊網(wǎng)絡(luò)。反射內(nèi)存通訊網(wǎng)技術(shù)較為成熟,利用光纖傳輸技術(shù),抗干擾能力強(qiáng),數(shù)據(jù)通訊速率高,能較好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)要求。圖像數(shù)據(jù)傳輸與仿真計(jì)算機(jī)構(gòu)成環(huán)型網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),硬件方面以GE公司的光纖反射內(nèi)存卡為基礎(chǔ),利用光纖將各個(gè)仿真設(shè)備連接起來。光纖反射內(nèi)存卡是GE公司成熟的光纖實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)互連產(chǎn)品,具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好,抗干擾能力強(qiáng),誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)。利用光纖反射內(nèi)存卡組成的網(wǎng)絡(luò)可以采用環(huán)型或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。每塊反射內(nèi)存卡上帶有雙口內(nèi)存,各節(jié)點(diǎn)反射內(nèi)存卡之間通過光纖聯(lián)成環(huán)型通訊網(wǎng)絡(luò)。由于反射內(nèi)存卡傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用了獨(dú)特的讀寫和傳輸方法,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,使數(shù)據(jù)更新所花費(fèi)的時(shí)間占仿真幀時(shí)的比重很小,保證了圖像生成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,因此,采用反射內(nèi)存進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸是可行的。本系統(tǒng)中采用了VMIPCI-5587,這種板卡具有3種工作方式:方式1網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為14.8MB/s(冗余傳輸模式);方式2網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為29.5MB/s(不帶冗余傳輸模式);方式3網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為44MB/s(DMA傳輸模式);3.3硅橋連接電阻器的mos輸電面矩陣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硅橋MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多通道DA和多通道DO等組成。3.3.1利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬硅橋MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)主要用于接收數(shù)據(jù)和完成MOS面陣的高速掃描,這里選用高速的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),一方面可以承受惡劣環(huán)境下工作,另一方面可以快速地完成面陣的驅(qū)動(dòng)和掃描。由于要采用多板卡系統(tǒng),初步選用5PCI槽的無源底板,盡可能地節(jié)省空間,減少重量。同時(shí)要在高振動(dòng)的環(huán)境中工作,系統(tǒng)硬盤不能采用機(jī)械式硬盤,這里考慮采用6GB電子硬盤。3.3.2cpu板的選擇選擇高性能CPU板作為數(shù)據(jù)控制單元,初步選擇1.6GHz的PCI板。3.3.3da板板的選擇根據(jù)對(duì)MOS電阻面陣器件測(cè)試,得到近似計(jì)算線性區(qū)平均斜率系數(shù)為14mV/k,按0.1k的分辨率計(jì)算,得到電壓Vs的分辨率近似為1.4mV,在7V的范圍內(nèi),分辨點(diǎn)數(shù)為7?V1.4?mV=50007?V1.4?mV=5000(點(diǎn))(5)于是知道數(shù)據(jù)寬度至少是13bit,再考慮到(Vs-T)曲線最大斜率大于平均值,所以數(shù)據(jù)寬度不少于14bit,因此在工程中需選用16bit的DA較為合適。同時(shí)考慮空間和擴(kuò)展PCI的驅(qū)動(dòng)能力,于是在選擇DA板時(shí),盡可能地選用通道數(shù)目多的DA板卡和速度高的板卡。對(duì)DA板轉(zhuǎn)換頻率等指標(biāo)的確定見以下分析。1系統(tǒng)間的操作根據(jù)面陣控制計(jì)算機(jī)的功能可知,占用計(jì)算機(jī)總線時(shí)間的操作主要是:從反射內(nèi)存中讀取幀數(shù)據(jù)、列選通及D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間、程序語(yǔ)句處理和操作系統(tǒng)非實(shí)時(shí)占用時(shí)間(如:硬件間請(qǐng)求沖突、各種信號(hào)握手)等。2數(shù)據(jù)讀取時(shí)間數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入的時(shí)間基本上是相等的,同3.1節(jié)中的計(jì)算。32非實(shí)時(shí)程序操作時(shí)間在這里簡(jiǎn)化處理,估計(jì)為0.8~1.3ms左右。4列選通tl的估計(jì)圖像實(shí)時(shí)生成幀周期為200幀/s的紅外圖像,熱電阻采用128通道并列掃描方式,于是可知:列選通TL=(1200?Hz?ΤL=(1200?Ηz-讀取時(shí)間-程序執(zhí)行及OS非實(shí)時(shí))/128=23.4μs(6)注:這里估計(jì)的列掃描/幀的時(shí)間為3ms。于是可知到DA轉(zhuǎn)換時(shí)間必須在23.4μs內(nèi),即轉(zhuǎn)換頻率為大于42kHz。5-ao-97/16特征板卡經(jīng)過調(diào)研,設(shè)計(jì)時(shí)選用UnitedElectronicIndustries,Inc.公司的PD2-AO-96/16和PD2-AO-32/16兩種板卡。這兩種板卡能夠很好滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)。①?PD2-AO-96/16主要技術(shù)指標(biāo)通道數(shù):96路D/A轉(zhuǎn)換,8路數(shù)字輸出,8路數(shù)字輸入;精度:16位;插槽類型:PCI2.1;轉(zhuǎn)換速率:100kHz~1.5MHz;輸出電壓:±10V。②?PD2-AO-32/16主要技術(shù)指標(biāo)通道數(shù):32路D/A轉(zhuǎn)換,8路數(shù)字輸出,8路數(shù)字輸入;精度:16位;插槽類型:PCI2.1;轉(zhuǎn)換速率:100kHz~1MHz;輸出電壓:±10V。3.3.4出患兒監(jiān)控方式如圖2所示,實(shí)現(xiàn)列選通信號(hào)硬件可以利用PD2-AO板上現(xiàn)有的DO信號(hào),經(jīng)過多輸出可編程邏輯器件進(jìn)行7路DO的譯碼,轉(zhuǎn)換成128個(gè)列控制信號(hào),再經(jīng)過邏輯放大電路實(shí)現(xiàn)電壓放大(將TTL電平轉(zhuǎn)換成-8~-11V列驅(qū)動(dòng)電壓)等處理后,實(shí)現(xiàn)列選通。在選擇器件時(shí)要考慮譯碼和放大單元的轉(zhuǎn)換時(shí)間,應(yīng)該在幾個(gè)微秒或微秒級(jí)以下。3.41紅外導(dǎo)引頭的產(chǎn)生和輸出紅外熱圖像,在控制MOS電阻面陣是用于紅外圖像的生成區(qū)域,在目標(biāo)圖像實(shí)時(shí)生成及驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器的控制下產(chǎn)生的紅外熱圖像作為紅外導(dǎo)引頭的輸入信號(hào);電源為MOS電阻面陣供電。1主要技術(shù)描述：128.128；治療頻率：400hz；運(yùn)行頻率：-4-8v；列驅(qū)動(dòng)電壓:-8~-11V;Vs-T曲線平均斜率:14mV/k;Vs分辨率:≈1.4mV(按0.1k分辨率計(jì)算)。2電源方案設(shè)計(jì)電源為MOS電阻面陣的供電,為了減輕重量、縮小體積、一個(gè)電源可驅(qū)動(dòng)多個(gè)系統(tǒng)(可給MOS電阻面陣、譯碼電路和放大電路等供電),在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電壓種類、電流、功率、穩(wěn)定性、精度等各項(xiàng)指標(biāo)。3.5主框架的設(shè)計(jì)由于MOS電阻面陣控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是安放在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的框